철-탄소 상태도 완벽 해설: 야금학 핵심 지식과 열처리 기초

상태도는 합금 연구에서 야금학의 많은 실용적 문제 해결에 매우 중요한 도구입니다. 이 다이어그램은 일정한 대기압 조건에서 합금 시스템에 존재할 수 있는 상의 안정 영역을 정의합니다. 이원계 시스템에서 이 다이어그램의 좌표는 온도와 조성입니다. 합금 시스템에서 상, 온도, 조성 간의 상호 관계는 평형 조건 하에서만 상태도에 의해 제시됩니다. 이러한 조건은 합금의 느린 가열 및 냉각 속도에서 발생하며, 이때 변환 속도론이 중요한 역할을 하지 않습니다.

철-탄소 시스템의 기초

가장 단순한 형태에서 철과 강철은 철(Fe)과 탄소(C)의 합금입니다. 세 가지 유형의 철강 합금이 있습니다: (1) 상온에서 C 함량 0.0008% 미만의 철, (2) C 함량 0.008~2.14%(보통 1% 미만) 범위의 강철로 미세조직이 페라이트와 시멘타이트로 구성, (3) C 함량 2.14~6.7%(보통 4.5% 미만) 범위의 주철. 철과 강철의 구성과 구조 연구는 철-탄소(Fe-C) 상태도(그림 1)에서 시작됩니다. Fe-C 상태도는 열처리 공정 이해의 기초로도 사용됩니다.

C는 Fe에서 간극 불순물입니다. 알파, 감마, 델타 철 상과 고용체를 형성합니다. 알파 철에서 C의 최대 고용도는 727°C에서 0.025%입니다. 체심입방정(BCC) 철은 상대적으로 작은 간극 위치를 가집니다. 면심입방정(FCC) 감마 철에서 C의 최대 고용도는 1148°C에서 2.14%입니다. FCC 철은 더 큰 간극 위치를 가집니다. 철-탄소 합금(철과 강철)의 기계적 특성은 미세조직, 즉 서로 다른 상이 어떻게 혼합되는지에 따라 달라집니다.

그림 2의 철-탄소 상태도는 실제로 두 다이어그램을 보여줍니다: (1) 안정한 철-흑연 다이어그램(빨간 선), (2) 준안정한 Fe-Fe₃C 다이어그램. 시멘타이트는 준안정하며, 진정한 평형은 철과 흑연(C) 사이에 있습니다. 흑연은 주철에서 광범위하게 발생하지만, 강철에서 이 평형 상을 얻기는 보통 어렵습니다. 안정한 상태는 특히 저온 저탄소 영역에서 매우 긴 시간이 걸려 발달합니다. 따라서 일반적으로 사용되는 정상 평형 다이어그램은 실제 강철 거동과 관련이 있는 준안정 Fe-Fe₃C 다이어그램입니다.

Fe-C 시스템의 안정 및 준안정 상태도의 세부 사항, 특히 Fe 풍부 측은 유사한 복잡성을 가진 다른 이원계 시스템보다 훨씬 잘 알려져 있습니다. 그러나 철강 제조와 직접 관련이 없는 온도, 조성, 압력 범위에서는 상태도가 잘 확립되지 않은 상당한 영역이 여전히 존재합니다.

철-탄소 시스템의 주요 야금 상과 미세조직 구성요소

Fe-Fe₃C 시스템에서 탄소는 Fe의 간극 불순물입니다. 알파(알파 페라이트), 감마(오스테나이트), 델타(델타 페라이트) 철 상과 고용체를 형성합니다. 이들은 Fe-Fe₃C 상태도의 중요한 상들입니다. 단일 상 영역 사이에는 페라이트와 시멘타이트, 오스테나이트와 시멘타이트, 페라이트와 오스테나이트 같은 두 상 혼합 영역이 있습니다. 최고 온도에서는 액체 상 영역을 찾을 수 있고, 그 아래에는 액체와 오스테나이트, 액체와 시멘타이트, 액체와 페라이트 두 상 영역이 있습니다. 강철 열처리에서는 액체 상은 항상 피합니다. 공융점(4.26% C)에서 액체 합금이 냉각 시 어떤 두 상 영역도 거치지 않고 직접 오스테나이트와 시멘타이트로 변환됩니다. 마찬가지로 공융변태점(0.76% C)에서 오스테나이트 상이 냉각 시 어떤 두 상 영역도 거치지 않고 직접 페라이트와 시멘타이트로 변환됩니다. 일부 중요한 단일 상 영역 경계에는 다이어그램 이해를 돕기 위해 특별한 이름이 부여되었습니다.

평형 상태의 철과 강철 주요 상

• 페라이트 또는 알파-철 상: 상온에서 안정한 철 형태. 상대적으로 부드러운 저온 상이며 안정한 평형 상. 910°C에서 FCC 오스테나이트(감마 상)로 변태. 페라이트는 강철의 일반적인 구성 성분이며 BCC 구조를 가지며 FCC 구조보다 조밀하게 쌓이지 않음. 부드럽고 꽤 연성. 768°C 이하에서 강자성. 낮은 강도와 좋은 인성.
• 오스테나이트 또는 감마 철 상: 고온 상. FCC 철에 탄소가 고용된 고용체. 따라서 FCC 구조, 즉 조밀 충진 구조. 비자성이며 연성 상. 1394°C에서 BCC 델타 페라이트로 변태. 공융변태 온도(727°C) 아래에서는 급랭하지 않는 한 안정하지 않음. 오스테나이트는 좋은 강도와 인성을 가짐.
• 델타 페라이트 상: BCC 철에 탄소 고용체. 1394°C 이상 고온에서만 안정. 1538°C에서 용융. 상자성 특성.
• 시멘타이트(Cementite): Fe₃C 또는 탄화철. Fe와 C의 금속간 화합물. 복잡한 사방정계 구조를 가지며 준안정 상. 단단하고 취성 상. 낮은 인장 강도, 좋은 압축 강도, 낮은 인성. 650~700°C 온도 범위에서 (매우 느리게, 수년에 걸쳐) 알파 페라이트와 C(흑연)로 분해.

오스테나이트와 페라이트를 비교하면, 탄소 고용도는 오스테나이트에서 더 높으며 1148°C에서 최대 2.14%입니다. 이 높은 탄소 고용도는 열처리에서 매우 중요합니다. 오스테나이트에서의 고용 처리 후 실온으로 급랭하면 철에 탄소의 과포화 고용체 형성이 가능해집니다. 페라이트 상은 727°C에서 최대 0.025%로 탄소 고용도가 제한됩니다. 일반 강철의 탄소 범위가 0.05~1.5%이므로 페라이트는 보통 시멘타이트와 한 형태 또는 다른 형태로 결합됩니다. 마찬가지로 델타 상은 1394~1538°C 온도 범위에서 매우 제한적이며, 탄소 함량이 0.5%에 도달하면 완전히 사라집니다.

공융변태 조성(0.76% C) 합금을 천천히 냉각하면 펄라이트(Pearlite)가 형성됩니다. 이는 알파-페라이트와 시멘타이트 두 상의 층상 구조입니다. 펄라이트는 페라이트-시멘타이트 상 혼합물입니다. 특징적인 외관을 가지며 미세조직 개체 또는 미세 구성요소로 취급될 수 있습니다. 번갈아 가며 쌓인 페라이트와 시멘타이트 라멜라(lamellae)의 집합체로, 727°C 이하에서 장기 유지 시 시멘타이트 입자가 페라이트 기지에 분산된 형태로 구상화(구상화/조대화)됩니다. 공융변태 조직이며 BCC 구조. Fe와 C의 부분적 고용체. 기계적으로 펄라이트는 부드럽고 연성인 페라이트와 단단하고 취성인 시멘타이트의 중간 특성. 높은 강도와 낮은 인성.

저공융변태 합금(Hypo-eutectoid)은 프로-공융변태 페라이트(공융변태 온도 이상에서 형성)와 공융변태 펄라이트(공융변태 페라이트와 시멘타이트 포함)를 가집니다. 고공융변태 합금(Hyper-eutectoid)은 프로-공융변태 시멘타이트(공융변태 온도 이상에서 형성)와 펄라이트(공융변태 페라이트와 시멘타이트 포함)를 가집니다.

비평형 응고 시 생성되는 미세조직

Fe-C 시스템의 비평형 응고 시 추가 유형의 미세조직도 형성될 수 있습니다.

• 베이나이트(Bainite): 펄라이트와 마르텐사이트 사이의 상. 단단하고 준안정한 미세 구성요소로, 극도로 미세한 규모에서 페라이트와 시멘타이트의 비층상 혼합물로 구성. 상부 베이나이트는 높은 온도에서 형성되며 깃털 모양 외관. 하부 베이나이트는 낮은 온도에서 형성되며 침상(acicular) 외관. 베이나이트 경도는 형성 온도 감소에 따라 증가. 좋은 강도와 인성.
• 마르텐사이트(Martensite): 매우 단단한 강철 결정 구조. 독일 야금학자 아돌프 마르텐스(Adolf Martens) 이름에서 유래. 급랭에 의해 형성되며 단단하고 취성. 일부 탄소가 용해된 체심사방정(BCT) 철 형태. 담금질 시 오스테나이트의 FCC 격자가 포함된 탄소 원자가 시멘타이트와 페라이트로 손실되지 않고 BCT 구조로 왜곡되어 형성. 페라이트 내 C 원자의 과포화 고용체. 단단한 준안정 상. C 0.6% 미만 시 래스(lath) 형태, 1% 초과 시 판(plate) 형태, 그 사이는 혼합. 높은 강도와 경도, 낮은 인성.
• 소르바이트/트로오스타이트(Sorbite/Troostite): 매우 미세한 플레이크를 가진 하부 펄라이트 단계 구조를 소르바이트와 트로오스타이트라고 함. 냉각 속도 증가에 해당하는 펄라이트 단계의 변태 구조. 그러나 플레이크 간격에 대한 구조 비율과 펄라이트 형성을 변경. 광학 현미경으로는 구조를 볼 수 없음.
• 비드만슈테텐 페라이트(Widmanstatten Ferrite): 저공융변태 평탄소강을 A₃ 온도 이상에서 급랭시킬 때 얻음. 빠른 냉각으로 페라이트 결정이 입계뿐만 아니라 큰 오스테나이트 입자 내부에서도 핵생성할 시간이 거의 없음. 입자 내부에서 선호 결정 방향으로 빠르게 성장하여 길쭉해짐. 구조는 바늘(래스) 또는 판 형태이며 한 입자 내에서 같은 방향으로 정렬되는 경향.

철-탄소 다이어그램의 중요 온도와 임계점

철-탄소 다이어그램에는 기본적·실용적 관점에서 중요한 많은 온도와 임계점이 있습니다. 이들은 냉각 또는 가열 시 상 변태와 자기 변태가 일어나는 온도입니다. 고체 상태에서 변태가 일어나는 온도를 임계 온도 또는 임계점이라고 합니다.

• A₀ 온도: 가열 시 시멘타이트의 자성에서 비자성으로의 변화가 일어나는 퀴리 온도. 구조는 전위, 결함, 공공(defects) 등을 개발할 수 있음. 시멘타이트는 금속성이며 약 210°C의 퀴리 온도에서 강자성. 합금화 시 금속 용질이 철 자리에 치환, 붕소 같은 작은 원자가 간극 자리에서 탄소 대체.
• A₁ 온도: 공융변태 변태가 일어나는 온도(727°C). 이 온도에서 펄라이트가 가열 시 오스테나이트로 변태하고 그 반대도 마찬가지.
• A₂ 온도: 페라이트의 퀴리 온도(768°C). 강자성 페라이트가 가열 시 상자성으로 변화. 이 온도에서 미세조직 변화는 관여하지 않음.
• A₃ 온도: 저공융변태강 냉각 시 페라이트가 오스테나이트에서 형성되기 시작하는 온도 또는 가열 시 자유 페라이트의 마지막 흔적이 오스테나이트로 변하는 온도. 따라서 저공융변태강의 감마+알파/감마 상 경계에 해당하는 온도이며 강철 탄소 함량의 함수로, 0% C에서 910°C부터 0.76% C에서 727°C까지 감소. 저공융변태강의 상부 임계 온도라고도 함. A₁과 A₃ 온도 사이의 온도 간격을 임계 범위라고 하며, 이 범위에서 오스테나이트가 페라이트와 평형 상태로 존재.
• Acm 온도: 고공융변태강에서 프로-공융변태 시멘타이트가 오스테나이트로부터 형성되기 시작하는(냉각 시) 온도. 감마/감마+Fe₃C 상 경계 온도를 나타내며 탄소의 함수. Acm 선은 탄소의 오스테나이트 내 고용도가 낮은 온도에서 시멘타이트의 더 큰 안정성으로 인해 1148°C에서 최대 2.14%에서 727°C에서 최대 0.76%로 매우 빠르게 감소함을 보여줌. 여분의 탄소는 고공융변태강에서 프로-공융변태 시멘타이트로 오스테나이트로부터 석출(주철에서는 2차 시멘타이트라고도 함). 시멘타이트가 오스테나이트로부터 분리될 때(냉각 시) 열 방출 동반.
• A₄ 온도: 오스테나이트가 델타 철로 변태하는 온도. 이 온도의 최저값은 순철의 경우 1394°C. 탄소 비율 증가에 따라 이 온도 상승.
• Ms 온도: 냉각 시 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태가 시작되는 온도.
• Mf 온도: 냉각 시 마르텐사이트 형성이 완료되는 온도. 마르텐사이트 형성을 제외한 모든 변화는 냉각 시 가열 시보다 낮은 온도에서 발생하며 온도 변화 속도에 의존.

주요 변태 메커니즘

오스테나이트-페라이트 변태

평형 조건에서 프로-공융변태 페라이트는 0.76%까지 탄소를 함유한 철-탄소 합금에서 형성됩니다. 반응은 순철에서 910°C에서 발생하지만 철-탄소 합금에서는 910~727°C 사이에서 일어납니다. 그러나 오스테나이트 상태에서 공융변태 온도 이하로 담금질하면 페라이트가 600°C까지 낮은 온도에서도 형성될 수 있습니다. 변태 온도가 낮아질수록 뚜렷한 형태학적 변화가 있으며, 이는 일반적으로 저공융변태와 고공융변태 상에 일반적으로 적용되지만, 각 경우 관련 상의 정확한 결정학으로 인해 변형이 있습니다. 예를 들어, 동일한 원리가 오스테나이트에서 시멘타이트 형성에 적용되지만, 페라이트와 시멘타이트를 형태학적으로 구별하는 것은 어렵지 않습니다.

오스테나이트-시멘타이트 변태

점진적으로 낮은 변태 온도에서 형성되는 시멘타이트의 다양한 형태학이 있습니다. 입계 알로트리오모프(allotriomorph)의 초기 발달은 페라이트와 매우 유사하며, 사이드 플레이트 또는 비드만슈테텐 시멘타이트의 성장은 같은 패턴을 따릅니다. 알로트리오모프는 내부 결정 대칭을 반영하지 않는 형태를 가지며, 오스테나이트 입자 표면에서 핵생성하는 경향이 있어 입계 윤곽을 따르는 층을 형성하기 때문입니다. 시멘타이트 플레이트는 오스테나이트와의 방위 관계가 더 복잡함에도 불구하고 더 엄격하게 결정학적인 형태를 가집니다. 페라이트의 경우와 마찬가지로 대부분의 사이드 플레이트는 입계 알로트리오모프에서 기원하지만, 시멘타이트 반응에서는 더 많은 사이드 플레이트가 오스테나이트의 쌍정 경계에서 핵생성합니다.

오스테나이트-펄라이트 반응

펄라이트는 철-탄소 상태도에서 가장 친숙한 미세조직입니다. 100년 전 소비(Sorby)에 의해 발견되었으며, 철과 탄화철의 층상 혼합물로 정확히 추정했습니다. 다양한 강철에서 매우 일반적인 구성요소로 강도에 상당한 기여를 합니다. 이러한 유형의 라멜라 공융변태 구조는 강철 야금학에서 널리 퍼져 있습니다. 이러한 구조는 세포형 석출 반응과 많은 공통점을 가집니다. 두 유형의 반응 모두 핵생성과 성장에 의해 발생하므로 확산 제어됩니다. 펄라이트 핵은 오스테나이트 입계에서 발생하지만, 프로-공융변태 페라이트와 시멘타이트와도 연관될 수 있음이 분명합니다. 상용 강철에서 펄라이트 결절은 개재물에서 핵생성할 수 있습니다.